非血红素铁加氧酶模型配合物的合成与催化性能研究

论文摘要

非血红素铁加氧酶的研究作为生物无机化学领域一个新兴的热点，吸引了众多的关注。基于非血红素铁加氧酶的仿生催化剂能够利用分子氧或H2O2等“绿色”氧化剂在温和条件下高效高选择性催化包括烷烃、烯烃、酚等在内的众多有机底物的氧化，对于开发绿色环保氧化工艺具有重要意义。近年来，生物学技术的发展以及众多模型配合物体系的开发使这个领域不断有新的突破。基于这样的研究背景，本论文对烷烃羟基化非血红素铁加氧酶（如铁博来霉素（FeBLM））和儿茶酚内裂解酶（如原儿茶酚3，4-双加氧酶（3，4-PCD））的活性中心进行了化学模拟，设计合成了一系列非血红素铁功能模型配合物，并重点考察所得铁配合物催化烷烃羟基化的性能和对3，5-二叔丁基邻苯二酚（H2DBC）内裂解反应的活性。 本文合成了具有灵活配位性质的N4O配体N-（2-吡啶甲氧基乙基）-N，N-二（2-吡啶甲基）胺（L1），晶体结构显示L1可以在单核铁配合物中充当三齿或五齿配体，也可以和Fe（ClO4）3形成μ-oxo双核铁配合物。在温和条件下，以H2O2为氧化剂，[FeL1Cl]PF6（Fe2）为催化剂催化烷烃的羟基化反应，较好的模拟了FeBLM的功能，显示出高于以往N5配体配位非血红素单核铁配合物的化学选择性（A／K=2.4），表明向配合物引入一个弱配位醚氧原子有利于基于金属氧化物种的反应途径。同样具有高选择性的fac-构型FeL1Cl3（Fe3）则显示了高于mer-构型N3配位铁配合物的催化活性和选择性（A／K=2.3）。催化数据表明，在mCPBA体系中，N4O和N4O2配位铁配合物以非血红素铁加氧酶基于金属的反应机理催化烷烃氧化，显示出高活性和高区域选择性（3°／2°=18.5-34.4）。此外，通过UV-Vis推测N2O2配体配合物[FeL2]（ClO4）2（Fe6，L2=N，N-二（2-吡啶甲氧基乙基）-N-（2-吡啶甲基）胺）在H2O2体系中生成FeⅢ-OOH过氧中间物种。 本论文将三角锥型N3O配体配位μ-alkoxo双核Fe（Ⅲ，Ⅲ）配合物[FeL8（NO3）]2（NO3）2(Fe11，HL8=N，N-二（2-（吡啶甲基）-N-羟乙基胺）作为3，4-PCD活性中心的功能模型，对其进行了光谱学碱滴定，发现Fe11的烷氧基有效模拟了Tyr447分子内在碱的功能，与底物结合时能接受底物的质子，并从金属中心解离。动力学研究表明体系中只需加入少量的碱（0.8当量哌啶），就可以达到较高的儿茶酚1，2-双加氧酶内裂解活性(k=0.38 M-1s-1)。此外，本文将含乙二胺骨架的不对称线型N3O配体配位铁配合物FeL6aCl2(Fe9a，HL6a=N，N’-二甲基-N-（2-吡啶甲基）-N’-（2-羟基苯甲基）乙二胺)和FeL6bCl2(Fe9b，HL6b=N，N’-二甲基-N-（2-吡啶甲基）-N’-（2-羟基-5-氯-苯甲基）乙二胺)应用到3，4-PCD活性中心结构的模拟当中。由其晶体结构发现配合物的两个易变配位点处于相似的化学环境之中，从而降低了底物加合物的半醌自由基性质，导致对于H2DBC的内裂解失去活性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 铁加氧酶
• 1.1.1 细胞色素P-450
• 1.1.2 甲烷单加氧酶
• 1.1.3 铁伯莱梅素
• 1.1.4 儿茶酚内裂解酶
• 1.2 非血红素铁加氧酶模型体系
• 1.2.1 非血红素铁加氧酶模型体系概述
• 1.2.2 催化烷烃氧化的非血红素铁加氧酶模型体系
• 1.2.3 儿茶酚内裂解酶模型体系
• 1.3 课题构想
• 2 催化烷烃氧化的非血红素铁模型配合物的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料及试剂
• 2.2.2 测试仪器
• 2.2.3 配体及配合物的合成
• 2.2.4 配合物单晶结构的测定
• 2.2.5 催化氧化实验
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 配体及配合物的合成与晶体培养
• 1H NMR'>2.3.2 配合物Fe2—Fe4的¹H NMR
• 3CN、Fe₃、Fe4·2CH₃CN和Fe6的晶体结构'>2.3.3 配合物Fe1·0.5CH₃CN、Fe₃、Fe4·2CH₃CN和Fe6的晶体结构
• 2.3.4 配合物的电子吸收光谱
• 2.3.5 配合物Fe2和Fe4的电化学性质
• 2.3.6 配合物Fe2、Fe3、Fe4和Fe6的催化性能研究
• 2.3.7 配合物Fe3和其结构相似的铁配合物Fe7a和Fe7b催化性能的比较
• 2.3.8 活性中间体的UV-Vis光谱与结构推测
• 2.4 小结
• 3 儿茶酚内裂解酶活性中心模型配合物的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂及仪器
• 3.2.2 配体及配合物的合成
• 3.2.3 配合物单晶结构的测定
• 3.2.4 光谱学滴定
• 3.2.5 配合物儿茶酚1,2-双加氧酶活性的确定
• 3.2.6 氧化产物的确定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 配体及配合物的合成与晶体培养
• 2Cl₂、Fe11、Fe12·2CH₃OH和Fe13的晶体结构'>3.3.2 配合物Fe9b·CH₂Cl₂、Fe11、Fe12·2CH₃OH和Fe13的晶体结构
• 3.3.3 配合物的电子吸收光谱
• 3.3.4 UV-Vis光谱学滴定
• 3.3.5 配合物的电化学性质
• 3.3.6 氧化反应动力学研究
• 3.3.7 氧化产物的鉴定
• 3.4 小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 附录A 附图
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢